1. Классификация запоминающих устройств, их параметры и характеристики

1.1. Назначение, классификация зу и способы организации памяти

(Слайд) Память ЭВМ – это её функциональная часть, предназначенная для записи, хранения и выдачи данных (команд программы, исходных данных, промежуточных и конечных результатов, представленных в виде кодов).

Для хранения информации в МПС используются запоминающие устройства (ЗУ) на основе полупроводниковых материалов, а также магнитные и оптические внешние носители.

Запоминающее устройство – устройство, физически реализующее функцию памяти данных и программ.

Внутренняя память компьютера представлена в виде отдельных ИМС собственно памяти и элементов, включенных в состав других ИМС, не выполняющих непосредственно функцию хранения программ и данных – это и внутренняя память центрального процессора, и видеопамять, и контроллеры различных устройств.

(Слайд) Внутренняя или основная память может быть двух типов:

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ). ОЗУ обозначается – RAM (Random Access Memory) и в свою очередь подразделяется на:

- статическую память ( SRAM),

- динамическую (DRAM),

- регистровую (RG).

- постоянное ЗУ (ПЗУ). ПЗУ обозначается – ROM (Read Only Memory). ПЗУ могут быть:

- масочными – запрограммированными на заводе изготовителе (ROM),

- однократно-программируемыми пользователем ППЗУ (PROM или OTP),

- многократно-программируемыми (репрограммируемыми) пользователем РПЗУ с ультрафиолетовым стиранием (EPROM) или c электрическим стиранием (EEPROM, Flash).

(Слайд) Получила также распространение Флэш (Flash) память, имеющая особенности и ОЗУ и ПЗУ и энергонезависимая память (Nonvolatile – NV). Последнее название условно, так как ПЗУ и Флэш память, также энергонезависимы.

Широкое распространение нашли также программируемые логические матрицы и устройства (PLM, PML, PLA, PAL, PLD, FPGA и т. д.) с большим выбором ЛЭ и устройств на одном кристалле.

Номенклатура ЗУ достаточно широка, поэтому их можно классифицировать:

- по месторасположению по отношению к вычислительному устройству:

* внешние ЗУ;

* внутренние ЗУ;

- по назначению:

(Слайд) *сверхоперативные (СОЗУ) – имеют быстродействие, соизмеримое с быстродействием вычислительного устройства. Служат для хранения результатов его промежуточных операций. В микропроцессорах (МП) роль СОЗУ выполняет рассмотренная выше регистровая память – встроенные в кристалл МП регистры общего назначения (РОНы).

*оперативные (ОЗУ) – энергозависимые ЗУ, служащие для первоначального сохранения вводимой информации. В ОЗУ коды в соответствии с решаемыми задачами постоянно изменяются и полностью пропадают при выключении питания.

*постоянные (ПЗУ) – энергонезависимое ЗУ, служащее для хранения неизменной информации (управляющих программ и программ, отлаженных пользователем); В ПЗУ хранятся управляющие работой ЭВМ стандартные программы, константы, таблицы символов и другая информация, которая сохраняется и при выключении компъютера.

(Слайд) *буферные (БЗУ) – предназначены для промежуточного хранения информации при её обмене между устройствами, работающими с разной скоростью. Эту роль выполняются регистровые схемы или ОЗУ малого объема;

*внешние (ВЗУ) – служат для хранения большого объёма информации на внешнем по отношению к вычислительному устройству носителе, как правило, магнитном;

- по физическим принципам действия:

* магнитные;

* полупроводниковые;

- по способу хранения информации:

* статические;

* динамические;

(Слайд) - по способу доступа к ячейке:

*с последовательным доступом – когда осуществляется последовательное обращение к ячейкам до тех пор, пока не произойдет обращение к нужной ячейке с заданным адресом. Примером может служить накопитель на магнитной ленте;

*с циклическим доступом – когда из нужной ячейки информация считывается в определенные моменты, разделенные интервалом времени;

*с произвольным доступом.

Для получения в ЭВМ одновременно большой информационной ёмкости и высокого быстродействия используется так называемый иерархический принцип построения ЗУ (рисунок 25.1), при котором логическая организация потоков информации такова, что всё информационное поле ЭВМ или вычислительной системы представляется в виде внутреннего абстрактного виртуального ЗУ. Адресация его ячеек осуществляется посредством абстрактных математических адресов.

Далее рассматривается полупроводниковая память произвольного доступа.

Информационная ёмкость (объём) памяти. Один разряд двоичного слова – 1 бит информации – сохраняется в элементарной ячейке памяти, называемой запоминающим элементом (ЗЭ).

Для хранения информации, содержащейся в многоразрядном слове, необходима одномерная матрица памяти (рисунок 25.2 а), в которой разряды расставлены в соответствии со степенью числа 2. Разряд, соответствующий нулевой степени, называют младшим, максимальной – старшим.

А для работы с большими массивами информации необходимы двумерные матрицы ЗЭ, имеющие заданную разрядность (ширину) и количество строк (длину). Так, на рисунке 25.2 б показана матрица для хранения четырёх 8-разрядных чисел. Разрядность задают в битах или байтах (1 байт = 8 бит). Каждое число в память записывается по определенному адресу, задаваемому опять-таки в двоичном коде.

(Слайд)

Рисунок 25.1 – Иерархический принцип построения ЗУ

(Слайд)

а – одномерная матрица для хранения многоразрядного числа;

б – двумерная матрица на четыре 8-разрядных числа

Рисунок 25.2 – Информационный объём ЗУ

(Слайд) Так, на рисунке 25.2 б, первое число (01001110₂=78₁₀) имеет адрес 00₂, следующее (01000100₂=68₁₀) – адрес 01₂, далее (11001100₂=204₁₀) – 10₂ и последнее (11011111₂=223₁₀) – адрес 11₂. Таким образом, если n – разрядность адреса, то количество строк матрицы памяти будет равно .

(Слайд) В зависимости от типа ЗУ элементом памяти (ЭП) или ЗЭ может быть: триггер, миниатюрный конденсатор, транзистор с "плавающим затвором", плавкая перемычка (или ее отсутствие).

Упорядоченный набор ЭП (рисунок 25.3) образует ячейку памяти (ЯП). Количество элементов памяти в ячейке (длина слова) обычно кратно 2ⁿ (1, 4, 8, 16, 32, 64…), причем величины свыше 8-ми достигаются, обычно, группировкой микросхем с меньшим количеством ЭП.

Рисунок 25.3 – Линейная модель памяти

Каждой из ячеек памяти однозначно соответствует "n"-разрядное двоичное число, называемое адресом ЯП.

Например, адресом 511-ой ячейки будет число 1 1111 1111(BIN) = 511(DEC) = 1FF(HEX). В программах адреса употребляются в 16-ти разрядном формате.

(Слайд) Способ организации памяти зависит от методов размещения и поиска информации в накопителе. По этому признаку различают адресную, ассоциативную и стековую памяти.

Адресная память. В памяти с адресной организацией размещение и поиск информации в ЗМ основаны на использовании адреса хранения слова (числа, команды и т. п.), которым служит номер ячейки ЗМ, где размещено это слово.

При записи (или считывании) слова в накопителе инициирующая эту операцию команда должна указать адрес (номер ячейки), по которому производится запись.

Ассоциативная память. В памяти этого типа поиск нужной информации производится не по адресу, а по ее содержанию (по ассоциативному признаку). При этом поиск по ассоциативному признаку (или последовательно по отдельным разрядам этого признака) происходит параллельно во времени для всех ячеек накопителя. Во многих случаях ассоциативный поиск позволяет существенно упростить и ускорить обработку данных. Это достигается за счет того, что в памяти этого типа операция считывания информации совмещена с выполнением ряда логических операций.

Стековая память. Стековая память, также как и ассоциативная, является безадресной. Стековая память делится на два вида: FIFO – первым пришел, первым вышел и FILO – первым пришел и последним вышел. В стековой памяти FIFO ячейки образуют одномерный массив, в котором соседние ячейки связаны друг с другом разрядными цепями передачи слов. Стек заполняется с одной стороны, при этом слова записываются в свободные ячейки с последовательными номерами, начиная с верхней ячейки, а считывание с удалением слова из памяти производится с другой стороны стека и только из нижней ячейки (ячейки 0). Остальные слова в стеке сдвигаются вниз в соседние ячейки с меньшими номерами. Таким образом, порядок считывания подчиняется правилу: первым поступил – первым обслуживается.